污泥高温烟气干化及掺烧系统的热平衡分析

王 波，王 卓，俞志鹏，姬 鹏，闻 哲，孙成喜

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海船用柴油机研究所，上海 200090；3.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

0 引言

污泥是污水处理过程中产生的废弃物，含有大量的有毒有害物质。随着污水处理量和水质标准的提高，污泥产量逐年增加。污泥的减量化、无害化和资源化处置，是当前面临重要的环境保护问题之一。

污泥处置技术主要有填埋、土地利用和焚烧等。其中，焚烧技术的处理量大，处理速度快，无害化相对彻底，近年来受到广泛关注，并产生了流化床独立焚烧、电站锅炉掺烧和垃圾焚烧炉掺烧等不同的焚烧系统[1-7]。常规机械脱水后的污泥含水率仍高达约80%，热值极低，难以稳定燃烧。因此，采用高温蒸汽、烟气或其它热源，对污泥进行干化，降低含水率，有利于提高干化后污泥的热值和燃烧稳定性，开发高效、节能、紧凑的干化新工艺具有重要意义。Guo Jiali等[8]研究了污泥微波干化特性和能耗；王可等人[9]针对太阳能-热泵干燥污泥装置进行了物料和热量的平衡计算；王一坤等人[9]研究了蒸汽抽取位置对抽蒸汽干化污泥耦合发电机组影响；刘启军等人[11]针对采用燃煤机组空气预热器出口烟气余热干化污泥并进行耦合掺烧的系统，进行了技术经济性分析。

与目前广泛采用的蒸汽间接干化技术和低温烟气干化技术相比，抽取高温烟气对污泥进行干化，其可用能损失较大，但可以显著提高污泥干燥的速率和处理量。本文针对从循环流化锅炉旋风分离器出口烟道抽取高温烟气作为干化介质的污泥干化掺烧系统，通过炉烟干化系统的热平衡计算，分析污泥烟气干化对锅炉运行参数的影响规律。

1 城镇污泥烟气干化系统简介

基于循环流化床锅炉的城镇污泥烟气干化焚烧系统如图1所示。在循环流化床锅炉旋风分离器出口抽取部分烟气，对湿污泥进行直接接触干燥，经气固分离后，干化污泥以一定的掺烧比例和烟煤在循环流化床锅炉内进行混烧。分离出来的干化乏气，可经冷凝处理后送回炉膛燃烧。本文研究暂不考虑乏气的热量回收和净化处理。

图1 城镇污泥烟气干化系统流程图

2 干化系统热平衡计算

2.1 锅炉热效率计算方法

干化污泥的掺烧比例β

(1)

式中mds——进行掺烧干化污泥的质量/kg；

mc——进行掺烧烟煤的质量/kg。

锅炉受热面吸热量的分配比例α，是指炉膛受热面与尾部烟道受热面的吸热量之比

(2)

Iry——炉膛出口烟气焓/kJ·kg-1；

IaF——分离器烟气焓/kJ·kg-1；

Ipy——排烟焓/kJ·kg-1；

γ——抽取高温烟气比例/%。

抽取高温烟气干化污泥后，锅炉热效率η为

(3)

q3——可燃气体未完全燃烧热损失/%；

q4——固体未完全燃烧热损失/%；

q5——散热损失/%；

q6——灰渣物理热损失/%；

2.2 污泥干化系统热平衡计算方法

烟气干化湿污泥的热平衡如图2所示。

图2 干化系统热平衡示意图

以干化1 kg湿污泥为例，质量平衡方程式为

(4)

式中m——1 kg湿污泥干化能得到的干化污泥的质量。

能量平衡方程式为

qry+qsw=qc+qw+qf+q5

(5)

式中qry——高温烟气物理热/kJ·kg-1；

qsw——湿污泥物理热/kJ·kg-1；

qc——干化污泥消耗的热量/kJ·kg-1；

qw——蒸发湿污泥水分消耗的热量/kJ·kg-1；

qf——乏气带出的热量/kJ·kg-1；

q5——设备散热损失/kJ·kg-1。

其中

qry=CryT1g1

(6)

式中T1——从旋风分离器抽取高温烟气的温度/℃；

Cry——在T1温度下高温烟气加权平均质量比热容/kJ·(kg·℃)-1；

g1——干化1 kg湿污泥进入干化机的高温烟气量/kg。

qsw=CswT2

(7)

式中T2——湿污泥进入干化机的温度/℃，取20 ℃；

Csw——湿污泥比热容/kJ·(kg·℃)-1。

(8)

式中Mar——湿污泥收到基水分/%；

Cgw——干化污泥比热容/kJ·(kg·℃)-1；

T3——高温烟气离开干化机的温度/℃。

qw=ΔM(2 500+CH2O×T3-4.187T2)

(9)

式中 ΔM——干化1 kg湿污泥蒸发的水量/kg·kg-1；

CH2O——20 ℃水蒸气平均比定压热容/kJ·(kg·℃)-1。

(10)

q5=0.02qin

(11)

式中qin——干化1 kg湿污泥输入的总热量/kJ·kg-1。

干化1 kg湿污泥消耗的热量qg为

qg=qry+qsw-qgw

(12)

2.3 计算工况

本文以相同旋风分离器进口烟气温度、排烟温度的纯燃煤工况为比较基准，分析掺烧比例、干化污泥含水率对锅炉运行参数的影响。

煤和湿污泥的元素分析、工业分析结果分别如表1、表2所示。在热平衡分析中，湿污泥的含水率取80%；干化污泥的含水率分别取20%、25%、30%和35%。

表1 煤的元素分析和工业分析

表2 含水率80%湿污泥的元素分析和工业分析

污泥干化焚烧系统主要参数如表3所示。

表3 污泥干化焚烧系统参数

3 结果分析

3.1 污泥掺烧对烟气量的影响

污泥掺烧比例和单位燃料燃烧产生烟气量的关系如图3所示。与纯燃煤工况相比，掺烧一定比例的干化污泥会减少燃烧产生的烟气量。掺烧比例和单位燃料产生的烟气量呈线性关系，在掺烧比为5%～50%范围内，烟气量随着掺烧比例的增大而减少。干化污泥的掺烧比例从0增加到50%时，烟气量从最初的8.472 Nm3/kg下降到最少的5.724 Nm3/kg。对含水率20%～35%的干化污泥，当掺烧比例一定时，产生的烟气量会随着含水率的增加而减少。这是因为干化污泥的灰分和水分高，可燃物含量比煤中可燃物含量低，理论烟气量小。但是，由于入炉燃料量增加的幅度大于理论烟气量下降的幅度，所以掺烧污泥以后，炉内总烟气量仍然是增大的。

图3 掺烧比例和烟气量的关系

3.2 污泥掺烧对受热面吸热量分配比例的影响

锅炉炉内受热面吸热量和炉后受热面吸热量的分配比例对锅炉结构设计有重要影响。污泥掺烧比例和受热面吸热量分配比例的关系如图4所示。纯燃煤工况下，受热面吸热量的分配比例为1.40。与纯燃煤工况相比，在一定的干化污泥含水率下，掺烧比例越大，受热面吸热量的分配比例也越大。当掺烧比例一定时，锅炉受热面吸热量的分配比例会随着干化污泥含水率的增大而减小。吸热量分配比例的升高，是因为污泥干化需要抽取高温烟气，导致相同锅炉负荷下，炉内烟气量会高于纯燃煤工况，炉内烟气从理论燃烧温度下降到旋风分离器入口温度时放出的热量也会增加。以掺烧20%含水率污泥为例，掺烧比例5%，吸热量分配比例最低，为1.48；掺烧比例增加到50%时，吸热量分配比例高达3.60，使得炉膛内受热面的吸热量远远大于尾部烟道内受热面的吸热量，这会导致锅炉炉膛和尾部烟道的结构不协调，给设计带来困难。

图4 掺烧比例和受热面吸热量分配比例的关系

3.3 污泥掺烧对理论燃烧温度的影响

理论燃烧温度会影响炉膛的吸热量。掺烧比例与理论燃烧温度的关系如图5所示。与纯燃煤的工况相比，掺烧干化污泥会降低炉内的理论燃烧温度。当干化污泥含水率为35%，掺烧比例从0增加到50%时，理论燃烧温度从最初的1 832 ℃降低到1 745 ℃。但是相比于流化床的床层温度，即使掺烧较大比例的干化污泥，其温度仍然较高。掺烧比例一定时，理论燃烧温度随着含水率的增大而降低。

图5 掺烧比例和理论燃烧温度的关系

3.4 污泥掺烧对抽取热烟比例的影响

掺烧比例与抽取热烟比例的关系如图6所示。干化污泥含水率一定时，掺烧比例越大，系统需要干化的湿污泥也越多，抽取热烟气的比例也不断增加。掺烧比例一定时，干化污泥含水率越小，抽取热烟比例越大。掺烧含水率35%干化污泥，掺烧比例5%时，抽取热烟比例最少，仅为3.69%；而掺烧含水率20%干化污泥，掺烧比例为50%时，抽取热烟比例高达61.68%，在锅炉设计中难以实现。

图6 掺烧比例和抽热烟比例的关系

3.5 污泥掺烧对燃煤量的影响

污泥干化和掺烧对燃煤量的影响如图7所示。与纯燃煤工况相比，在相同的干化污泥含水率下提高掺烧比例，或者在相同的掺烧比例下降低干化污泥含水率，都可以提高节煤率。从污泥特性分析数据可以看出，80%含水率污泥的收到基低位发热量0.496 MJ/kg，可以与湿污泥燃烧产生的烟气在185 ℃下的排烟热损失平衡。由于计算条件中设定的锅炉排烟温度136 ℃，干化机的乏气温度150 ℃，因此污泥不干化直接入炉掺烧，或者先经烟气干化再入炉掺烧，都可以为锅炉提供少量可有效利用的热量，从而节约用煤。在相同的干化污泥含水率下提高掺烧比例，或者在相同的掺烧比例下降低干化污泥含水率，都意味着在相同的燃煤量下处理更多的湿污泥，因而可以提高节煤率。从图7中还可以看出，由于湿污泥的热值很低，即便掺烧比例提高到40%，干化污泥含水率降到20%，污泥干化掺烧系统的节煤率也仅为0.66%。可见，改变污泥干化程度和掺烧比例，对系统热平衡和燃煤量的影响很小，污泥干化并不能达到显著的节能效果。

图7 掺烧比例和节煤率的关系

4 结论

本文对污泥烟气干化循环流化床锅炉掺烧系统进行了热平衡分析，讨论了污泥掺烧比例和干化污泥含水率对烟气量、受热面吸热量分配比例、燃烧温度、抽取热烟比例、节煤率等参数的影响，得出以下结论：

(1)入炉干化污泥含水率在20%-35%时，其理论烟气量和热值都显著低于煤，掺烧比例越大，入炉混合燃料的理论烟气量和理论燃烧温度越低，但由于入炉总燃料量增加，炉内总烟气量仍会增加。

(2)和纯燃煤的锅炉相比，随着污泥干化程度和掺烧比例的升高，污泥干化所需抽取热烟气的比例、炉膛和尾部烟道中烟气流量的比例及受热面吸热量的比例都会增大。如果确定的污泥掺烧比例过大，会导致炉膛尺寸显著大于尾部烟道，给锅炉设计带来困难。

(3)由于湿污泥的低位热值很小，污泥干化程度和掺烧比例对节煤量的影响很小，污泥干化不能直接产生显著的节能效果。对污泥进行干化，选用合适的干化污泥含水率和掺烧比，其作用在于控制炉内烟气量和温度水平，优化焚烧炉和干化设备的配置，降低总投资成本。